二月初三，王世充太子王玄应从虎牢运粮到洛阳，途中遭到唐将王君羡拦击，运粮队全军覆没，王玄应只身逃出。
李世民派宇文士及到长安奏报李渊包围洛阳，李渊对宇文士及说：“回去告诉秦王，城破之日，凡非私人所应有的图册、资料等，委托你保管。其余子女宝物，任凭秦王分赏将士。”
二月十三日，李世民把大营从北邙山迁移至青城宫。防御设施尚未完备，王世充率两万人依托既设堑壕，隔河水阻拒唐军。
李世民登上魏宣武陵（北魏第8位皇帝元恪之墓，位于北邙山顶）眺望敌阵，对左右说：“他们不过临死挣扎，只求一战罢了。今天击败了他们，以后就再也不敢出来了！”
随即令屈突通率五千步兵渡水攻击，叮嘱他说：“两军一旦交战，你就施放烟幕。”
烟尘起，身先士卒的李世民与玄甲骑兵从南侧发起冲锋，和屈突通会合一处奋力厮杀。李世民想试探一下王世充阵型厚度，率数十骑兵直抵阵后，所到之处敌军纷纷毙命，如入无人之境。
李世民不慎被堑壕所阻与部众失散，身边只剩大将丘行恭一人。郑军追兵一拥而上，李世民坐骑中箭倒毙，丘行恭策马返回取弓射击，每发一箭必杀一人，追兵不敢迫近。丘行恭将马让给李世民，他在马前手执长刀，呼喊着左右挥斩，宛若杀神转世。接连砍倒数人，突破重围与主力会合。
王世充也率众殊死奋战，军队散了又合、合了又散，自辰时一直战至午时，这才收军回撤。李世民纵兵追击直抵城下，俘斩七千余人，乘势包围洛阳。
骠骑将军段志玄与郑军力战，深入敌阵，马倒被俘。郑军两名骑兵从左右两边抓着段志玄的发髻前行，快到洛水边时，段志玄奋身腾跃将两人掀落，纵身上马奔驰而去，数百骑兵竟不敢再追。
战前，唐将王怀文在侦探敌营时不慎被俘，王世充欣赏他的骁勇，让他跟在身边做护卫。
双方激战后的第二天，王世充再次率军临洛水列阵。王怀文趁其不备，举起长槊直刺王世充。谁料王世充身披内甲，槊杆折断竟没有刺入。因事发突然，左右护卫茫然不知所措。王怀文逃往唐营，被郑军追上处死。
王世充受到惊吓竟毫不为意，当众脱掉内甲，袒露胸腹让部众看，大声说：“王怀文拿槊刺我，都不能伤我分毫，这难道不是天命所佑！”
二月二十二日，镇守怀州（河南沁阳）的宋王王泰弃城逃走，刺史陆献宗献城投降。
郑军大将单雄信、裴孝达与唐将王君廓在洛口（河南郑州巩义东北）对峙，李世民出军支援，进至轩辕（河南郑州新郑西北），单雄信等闻讯逃离。
李世民包围洛阳开始攻城。
毕竟是东都，城高墙厚非常坚固。加之王世充这几年尽在城防上下功夫了，城内防御体系严密完备，各类防御设备应有尽有。
特别是能够发射飞石的大炮，重达五十斤，可将巨石投掷二百余步（约150米）；还有八弓弩，箭杆如辐条，箭镞似巨斧，可射击五百余步（约370米）的目标。
唐军四面围攻昼夜不息，打了十余天仍未攻下。高强度的战斗让唐军将士疲惫不堪，士气有些低落。
总管刘弘基等人请求李世民班师，李世民说：“我们挥师剿匪，应当一劳永逸。现在东方各州望风而降，只有洛阳一座孤城，势必无法长久。大功在即，为何要突然放弃。”下令军中：“洛阳不克绝不回返，有再敢说班师者斩！”
李渊在后方也听到了洛阳城坚无法攻克的消息，派人密令李世民撤军。李世民上表声称洛阳必克，并让参谋封德彝入朝，当面向李渊奏报战况。
封德彝对李渊说：“王世充土地看起来虽多，但大多属临时依附，政令所行也只洛阳一城。目前他们智尽力穷，城破就在旦夕之间。如果班师回朝，让其重振势力、相互连接，日后恐怕再难攻取！”李渊点头允准。
李世民送信给王世充，劝他献城投降，王世充没有答复。
二月三十日，郑州降于李世积；左卫将军王君廓夜袭虎牢关，俘获荆王王行本。
三月，唐军沿洛阳周围挖沟筑垒，彻底断绝了洛阳与外界的联系。城中食物匮乏，一匹上好的绢（1匹相当于33米，下同）才能兑换三升糙米（1升米约为1.5斤）；十匹布仅够兑换一升盐（1升盐约为2斤）。至于珍珠财宝，更是分文不值。
百姓们连草根树叶都已吃完，只得用湿土充饥，身体浮肿软弱无力，死亡枕藉。当初皇泰主迁民入城，有三万余户，现在已不足三千户。朝中公卿大臣，同样无粮可食，很多人冻饿而死。
窦建德让大将范愿留守曹州（山东荷泽），出动孟海公、徐圆郎部众向西救援洛阳。
三月二十一日，到达酸枣县（古县名，位河南新乡延津县）；二十四日，攻陷管州（治管城，位河南郑州管城区），杀害刺史郭士安；又接连攻陷荥阳、阳翟（河南许昌禹州）等县，水陆并行逆流西进。
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